DE102013215927A1

DE102013215927A1 - battery module

Info

Publication number: DE102013215927A1
Application number: DE102013215927.7A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Kutz
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2013-08-12
Filing date: 2013-08-12
Publication date: 2015-02-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul (1), umfassend mindestens eine Batteriezelle (3) und mindestens ein Wärmerohr (4), das mit der mindestens einen Batteriezelle (3) in thermischem Kontakt steht, wobei das Wärmerohr (4) einen Verdampferabschnitt (10) und einen Kondensationsabschnitt (12) aufweist, wobei die Batteriezelle (3) von einer thermischen Isolierung (2) umgeben ist, wobei das Wärmerohr (4) durch die thermische Isolierung (2) geführt ist, sodass der Verdampferabschnitt (10) innerhalb der thermischen Isolierung (2) und der Kondensationsabschnitt (12) außerhalb der thermischen Isolierung (2) angeordnet ist.The invention relates to a battery module (1) comprising at least one battery cell (3) and at least one heat pipe (4) in thermal contact with the at least one battery cell (3), the heat pipe (4) having an evaporator section (10) and a condensation section (12), wherein the battery cell (3) is surrounded by a thermal insulation (2), wherein the heat pipe (4) through the thermal insulation (2) is guided, so that the evaporator section (10) within the thermal insulation ( 2) and the condensation section (12) outside the thermal insulation (2) is arranged.

Description

Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul, umfassend mindestens eine Batteriezelle und mindestens ein Wärmerohr, das mit der mindestens einen Batteriezelle in thermischem Kontakt steht. The invention relates to a battery module comprising at least one battery cell and at least one heat pipe, which is in thermal contact with the at least one battery cell.

Die Temperierung bzw. Kühlung von Batteriemodulen ist ein seit langem bekanntes Problem, wobei zur Lösung bereits unter anderem Wärmerohre vorgeschlagen wurden. Wärmerohre (auch Heatpipes genannt) sind vom Prinzip her gasdicht verschlossene Rohre, welche zu einem Teil mit einer Flüssigkeit mit definiertem Siedepunkt gefüllt sind. Im Bereich von 0°C bis ca. 400°C kann beispielsweise Wasser verwendet werden, wobei der Siedepunkt durch den Innendruck des Rohres eingestellt wird. Das Wärmerohr weist dabei einen Verdampferabschnitt und einen Kondensationsabschnitt auf. In der einfachsten Ausführung, auch als Gravitationswärmerohr bezeichnet, sammelt sich die Flüssigkeit am Rohrboden (Verdampferabschnitt) und nimmt dort die Wärme durch Verdampfen auf. Der Dampf steigt dann auf in die kalte Zone (Kondensationsabschnitt), wo er kondensiert und die Verdampfungsenthalpie an die Umgebung abgibt. Anschließend läuft das Kondensat wieder hinab zur Wärmequelle und der Kreislauf schließt sich. Die Vorgänge laufen quasi isotherm ab, weshalb die Temperaturen an den Enden des Wärmerohrs während des Wärmetransports nur minimal differieren. Durch die Nutzung der Verdampfungswärme des Mediums für den Wärmetransport können Wärmerohre ein Vielfaches an Energie abführen im Vergleich zu massiven Wärmeleitern. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Wärmerohre leichter sind. The tempering or cooling of battery modules is a long-known problem, which have been proposed to solve among other heat pipes. Heat pipes (also called heat pipes) are in principle gas-tightly sealed pipes, which are filled in part with a liquid with a defined boiling point. In the range of 0 ° C to about 400 ° C, for example, water can be used, wherein the boiling point is adjusted by the internal pressure of the tube. The heat pipe has an evaporator section and a condensation section. In the simplest version, also called Gravitationswärmerohr, the liquid collects at the tube bottom (evaporator section) and absorbs the heat there by evaporation. The steam then rises to the cold zone (condensation section), where it condenses and releases the enthalpy of vaporization to the environment. The condensate then flows down to the heat source and the circuit closes. The processes are virtually isothermal, which is why the temperatures at the ends of the heat pipe during heat transport differ only minimally. By using the heat of vaporization of the medium for heat transport, heat pipes can dissipate a multiple of energy compared to massive heat conductors. Another advantage is that the heat pipes are lighter.

Aus der WO 2013/056877 A1 ist ein gattungsgemäßes Batteriemodul bekannt, mit einer Vielzahl von Lithium-Ionen-Zellen und einer Temperiereinheit zur Temperaturregelung der Lithium-Ionen-Zellen, wobei die Temperiereinheit ein oder mehrere Wärmerohre umfasst. From the WO 2013/056877 A1 a generic battery module is known, with a plurality of lithium-ion cells and a temperature control unit for temperature control of the lithium-ion cells, wherein the temperature control unit comprises one or more heat pipes.

Aus der DE 197 24 020 A1 ist ein Batteriemodul bekannt, umfassend Batteriezellen in einem Gehäuse, wobei das Gehäuse auf einer wärmeleitfähigen Platte steht, in der ein Wärmerohr angeordnet ist. Dabei wird die Wärme der Batteriezellen durch den Gehäuseboden in die Platte übertragen und von dort über das Wärmerohr abgeführt. From the DE 197 24 020 A1 a battery module is known comprising battery cells in a housing, wherein the housing is on a thermally conductive plate in which a heat pipe is arranged. The heat of the battery cells is transmitted through the housing bottom in the plate and discharged from there via the heat pipe.

Aus der EP 2 370 280 B1 ist eine Vorrichtung zum Kühlen der Batterie eines Kraftfahrzeugs bekannt, das eine Klimaanlage enthält, deren Verdampfer geeignet ist, um den Innenraum des Fahrzeugs zu kühlen, und in einem geschlossenen Raum enthalten ist, wobei die Batterie sich in einem Behälter befindet. Der Raum des Verdampfers ist an einen Kanal angeschlossen, dessen Ausgang zu einer Wärmetauschzone gerichtet ist, die auf mindestens einer Außenseite des Behälters vorgesehen ist, wobei die Wärmetauschzone einen Bereich außerhalb des Behälters, der gegenüber dem Ausgang des Kanals angeordnet ist, und einen Bereich aufweist, der gegenüber dem Innern des Behälters angeordnet ist. Die Wärmetauschzone besteht aus einem Kühler, der eine metallische Grundplatte aufweist, die auf einer ihrer Seiten eine erste Reihe von Rippen, die zum Ausgang des Kanals gerichtet sind, und auf der gegenüberliegenden Seite eine zweite Reihe von Rippen aufweist, die ins Innere des Behälters gerichtet sind. Der Kühler ist dicht an eine Außenwand des Behälters angeschlossen, die sich gegenüber dem Ausgang des Kanals befindet. Die Vorrichtung enthält Einrichtungen zum Wärmeaustausch durch Konduktion zwischen den Rippen des Kühlers und der Batterie, wobei diese Einrichtungen eine metallische Struktur oder Wärmeleitrohre enthalten. From the EP 2 370 280 B1 a device for cooling the battery of a motor vehicle is known, which includes an air conditioner, the evaporator is adapted to cool the interior of the vehicle, and is contained in a closed space, wherein the battery is located in a container. The space of the evaporator is connected to a duct whose exit is directed to a heat exchange zone provided on at least one outer side of the tank, the heat exchange zone having an area outside the tank, which is opposite to the exit of the duct, and an area which is disposed opposite to the interior of the container. The heat exchange zone consists of a condenser having a metallic base plate having on one of its sides a first row of fins directed towards the exit of the channel and on the opposite side a second row of fins directed towards the interior of the container are. The radiator is tightly connected to an outer wall of the tank, which is opposite the exit of the duct. The apparatus includes means for heat exchange by conduction between the fins of the radiator and the battery, which means include a metallic structure or heat pipes.

Ein Problem bei allen bekannten Lösungen ist, dass diese zwar eine Wärmeabfuhr beschreiben, jedoch einen Wärmeeintrag von außen in die Batterie nicht verhindern. Eine solche Wärmequelle ist beispielsweise ein Verbrennungsmotor. Dies kann dazu führen, dass das Batteriemodul trotz Kühlung Temperaturen erreicht, die zu einer Leistungsbegrenzung führen. A problem with all known solutions is that although they describe a heat dissipation, but do not prevent a heat input from the outside into the battery. Such a heat source is, for example, an internal combustion engine. This may cause the battery module, despite cooling, to reach temperatures that result in a power limitation.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Batteriemodul zu schaffen, das bei guter Wärmeabfuhr einen äußeren Wärmeeintrag reduziert. The invention is therefore based on the technical problem of providing a battery module that reduces external heat input with good heat dissipation.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch den Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. The solution of the technical problem results from the subject matter with the features of claim 1. Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.

Das Batteriemodul umfasst mindestens eine Batteriezelle und mindestens ein Wärmerohr, das mit der mindestens einen Batteriezelle in thermischem Kontakt steht, wobei das Wärmerohr einen Verdampferabschnitt und einen Kondensationsabschnitt aufweist. Dabei sei angemerkt, dass das Wärmerohr und die Batteriezelle vorzugsweise in mechanischem Kontakt sind, um einen möglichst guten Wärmeübergang zu erreichen. Weiter sei angemerkt, dass der Querschnitt des Wärmerohrs nicht kreisförmig sein muss. Vielmehr sind auch andere, beispielsweise rechteckförmige, Querschnitte möglich. Sind mehrere Batteriezellen vorhanden, so muss nicht jeder Batteriezelle ein Wärmerohr zugeordnet sein. Andererseits können einer Batteriezelle auch mehrere Wärmerohre zugeordnet sein. Die Batteriezelle oder die Batteriezellen sind von einer thermischen Isolierung umgeben. Die thermische Isolierung kann dabei beispielsweise ein Fließ oder ein Gehäuse sein. Die thermische Isolierung weist dabei eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf, die einen Wärmeeintrag von außen in die Batteriezelle verhindert oder reduziert. Das mindestens eine Wärmerohr ist dabei durch die thermische Isolierung geführt, sodass der Verdampferabschnitt innerhalb der thermischen Isolierung und der Kondensationsabschnitt außerhalb der thermischen Isolierung angeordnet ist. Dadurch kann weiterhin Wärme von den Batteriezellen abgeführt werden, der Wärmeeintrag von außen jedoch stark reduziert werden. Lediglich über das Rohr des Wärmerohres kann Wärme von außen in den von der thermischen Isolierung umgebenen Raum eingeleitet werden. Da jedoch der Flächenanteil des Durchganges durch die thermische Isolierung im Verhältnis zur Gesamtoberfläche der thermischen Isolierung gering ist, ist dieser Wärmeintrag äußerst gering. The battery module comprises at least one battery cell and at least one heat pipe, which is in thermal contact with the at least one battery cell, wherein the heat pipe has an evaporator section and a condensation section. It should be noted that the heat pipe and the battery cell are preferably in mechanical contact in order to achieve the best possible heat transfer. It should also be noted that the cross section of the heat pipe does not have to be circular. Rather, other, for example rectangular, cross sections are possible. If several battery cells are present, not every battery cell has to be assigned a heat pipe. On the other hand, a battery cell can also be assigned a plurality of heat pipes. The battery cell or cells are surrounded by thermal insulation. The thermal insulation can be, for example, a flow or a housing. The thermal insulation has a low Thermal conductivity, which prevents or reduces a heat input from the outside into the battery cell. The at least one heat pipe is guided through the thermal insulation, so that the evaporator section is arranged inside the thermal insulation and the condensation section outside the thermal insulation. This can continue to dissipate heat from the battery cells, the heat input from the outside, however, be greatly reduced. Only through the pipe of the heat pipe heat can be introduced from the outside in the space surrounded by the thermal insulation. However, since the area ratio of the passage through the thermal insulation is small relative to the total surface of the thermal insulation, this heat input is extremely low.

Prinzipiell kann das oder die Wärmerohre als Gravitationswärmerohre ausgebildet sein. Ebenso ist es möglich, gesteuerte Wärmerohre zu verwenden, bei denen beispielsweise der Fluss über ein Ventil gesteuert werden kann. Auch andere Formen der Steuerung von Wärmerohren bzw. Kombinationen von Wärmerohren sind bekannt und prinzipiell einsetzbar. In principle, the heat pipe or tubes may be formed as gravitation heat pipes. It is also possible to use controlled heat pipes in which, for example, the flow can be controlled by a valve. Other forms of control of heat pipes or combinations of heat pipes are known and can be used in principle.

Vorzugsweise ist das Wärmerohr jedoch als kapillarisches Wärmerohr ausgebildet. Diese weisen üblicherweise einen mittigen Kanal mit einem großporigen Material und einen umgebenen Kanal mit einem kleinporigen Material auf, über den das kondensierte Medium auch gegen die Schwerkraft über Kapillarkraft zum Verdampfungsabschnitt zurückgeführt werden kann. Neben dem Vorteil, dass die Wärmerohre nicht mit Gefälle eingebaut werden müssen, erlaubt ein kapillarisches Wärmerohr darüber hinaus auch ein Heizen des Batteriemoduls unter bestimmten Voraussetzungen. Ist beispielsweise die Umgebungstemperatur größer als die Siedetemperatur des Mediums im Wärmerohr, die Temperatur im Innern der thermischen Isolierung jedoch niedriger als die Siedetemperatur, so kann durch die Kapillarkraft Flüssigkeit in den eigentlichen Kondensationsabschnitt fließen. Dort nimmt die Flüssigkeit Wärme der Umgebung auf, verdampft und kehrt als Dampf zurück zum Verdampfungsabschnitt an der Batteriezelle und kann dort kondensieren und seine Wärme abgeben. In dieser Situation arbeitet das Wärmerohr quasi umgekehrt. Das kapillarische Wärmerohr erlaubt also ohne separate Steuerung eine gute Wärmeabfuhr von den Batteriezellen im Normalbetrieb und sogar eine Beheizung der Batteriezellen, wenn die Umgebungstemperatur über und die Batteriezellentemperatur unter der Siedetemperatur des Mediums ist. Preferably, however, the heat pipe is designed as a capillary heat pipe. These usually have a central channel with a large-pored material and a surrounding channel with a small-pore material, via which the condensed medium can also be returned against gravity by capillary force to the evaporation section. In addition to the advantage that the heat pipes do not have to be installed with a slope, a capillary heat pipe also allows heating of the battery module under certain conditions. If, for example, the ambient temperature is greater than the boiling temperature of the medium in the heat pipe, but the temperature inside the thermal insulation is lower than the boiling temperature, then liquid can flow into the actual condensation section due to the capillary force. There, the liquid absorbs heat from the environment, evaporates and returns as vapor back to the evaporation section on the battery cell where it can condense and release its heat. In this situation, the heat pipe works almost in reverse. Thus, without separate control, the capillary heat pipe allows good heat dissipation from the battery cells in normal operation and even heating of the battery cells when the ambient temperature is above and the battery cell temperature is below the boiling temperature of the medium.

In einer weiteren Ausführungsform ist das Rohr des Wärmerohrs aus mindestens zwei Abschnitten zusammengesetzt, wobei der eine Abschnitt eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist als der andere Abschnitt, wobei der Abschnitt mit der geringeren Wärmeleitfähigkeit im Bereich des Durchgangs durch die thermische Isolierung angeordnet ist. Dadurch wird der Wärmeeintrag von außen weiter minimiert. Dabei ist beispielsweise der Abschnitt mit der höheren Wärmeleitfähigkeit aus Kupfer und der Abschnitt mit der niedrigeren Wärmeleitfähigkeit aus Kunststoff ausgebildet. Es ist aber auch möglich, ein gleiches Grundmaterial zu verwenden, was abschnittsweise durch Zusatzstoffe dotiert wird, die die Wärmeleitfähigkeit verändern. In another embodiment, the tube of the heat pipe is composed of at least two sections, wherein one section has a lower thermal conductivity than the other section, wherein the section with the lower thermal conductivity in the region of the passage through the thermal insulation is arranged. As a result, the heat input from the outside is further minimized. In this case, for example, the portion with the higher thermal conductivity of copper and the portion with the lower thermal conductivity of plastic is formed. But it is also possible to use a same base material, which is doped in sections by additives that change the thermal conductivity.

Weiter vorzugsweise ist das Rohr aus mindestens drei Abschnitten ausgebildet, wobei der mittlere Abschnitt eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist als die anderen Abschnitte und an dem Durchgang durch die thermische Isolierung angeordnet ist. Dies erlaubt einen guten Wärmeeintrag in und einen guten Wärmeaustrag aus dem Wärmeleitrohr bei gleichzeitig guter thermischer Isolierung gegen Wärmeeintrag von außerhalb der thermischen Isolierung. More preferably, the tube is formed of at least three sections, wherein the middle section has a lower thermal conductivity than the other sections and is arranged on the passage through the thermal insulation. This allows a good heat input into and a good heat output from the heat pipe while good thermal insulation against heat input from outside the thermal insulation.

In einer weiteren Ausführungsform sind an dem Verdampferabschnitt und/oder an dem Kondensationsabschnitt oberflächenvergrößernde Elemente angeordnet, die den Wärmeeintrag und/oder Wärmeaustrag aus dem Wärmerohr verbessern. Die Form der Elemente an dem Verdampferabschnitt ist dabei beispielsweise an die Form der Batteriezelle angepasst. In a further embodiment, surface-enlarging elements are arranged on the evaporator section and / or on the condensation section, which elements improve the heat input and / or heat discharge from the heat pipe. The shape of the elements on the evaporator section is adapted, for example, to the shape of the battery cell.

Vorzugsweise ist das Medium des Wärmerohrs Wasser, da dieses über Einstellung des Drucks einen weiten Bereich von Siedetemperaturen abdecken kann, ungiftig und preiswert ist. Preferably, the heat pipe medium is water, as it can cover a wide range of boiling temperatures via pressure setting, is non-toxic and inexpensive.

In einer weiteren Ausführungsform ist das Wärmerohr entlang einer Umfangsfläche der Batteriezelle angeordnet. Neben der vergrößerten Aufnahmefläche für Wärme bewirkt dies einen Wärmetransport von unten nach oben, was eine Zirkulation innerhalb der Batteriezelle unterstützt, was insbesondere bei Blei-Säure-Batterien vorteilhaft ist. In a further embodiment, the heat pipe is arranged along a peripheral surface of the battery cell. In addition to the increased heat absorption area, this causes heat transport from the bottom to the top, which promotes circulation within the battery cell, which is particularly advantageous in lead-acid batteries.

In einer weiteren Ausführungsform liegt die Siedetemperatur des Mediums zwischen 20°C bis 30°C, sodass frühzeitig vor Erreichen einer kritischen Temperatur für die Batteriezellen die Wärmeabfuhr einsetzt. In a further embodiment, the boiling temperature of the medium is between 20 ° C to 30 ° C, so that the heat dissipation begins early before reaching a critical temperature for the battery cells.

Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet des Batteriemoduls ist der Einsatz als Bordnetz-, Starter- oder Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs. A preferred field of application of the battery module is the use as a vehicle electrical system, starter or traction battery of a motor vehicle.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Fig. zeigen: The invention will be explained in more detail below with reference to a preferred embodiment. The figures show:

1 einen schematischen Querschnitt durch ein Batteriemodul und 1 a schematic cross section through a battery module and

2 einen schematischen Querschnitt durch ein kapillarisches Wärmerohr. 2 a schematic cross section through a capillary heat pipe.

In der 1 ist schematisch ein Batteriemodul 1 im Querschnitt dargestellt, wobei der Schnitt derart gelegt wurde, dass eine Vorderwand einer thermischen Isolierung 2 weggeschnitten wurde, ohne eine innerhalb der thermischen Isolierung 2 befindliche Batteriezelle 3 zu schneiden. Neben der bereits erwähnten thermischen Isolierung 2 und der Batteriezelle 3 umfasst das Batteriemodul 1 mehrere Wärmerohre 4, wobei in 4 vier Wärmerohre 4 dargestellt sind. Dabei ist jeweils ein Wärmerohr 4 an einer linken Seitenwand 5 und ein Wärmerohr 4 an der rechten Seitenwand 6 der Batteriezelle 3 angeordnet sowie zwei Wärmerohre 4 an einer Vorderwand 7. Die Wärmerohre 4 erstrecken sich dabei über die volle Höhe der Batteriezelle 3. Vorzugsweise sind um die gesamte Umfangsfläche der Batteriezelle 3 weitere Wärmerohre angeordnet, die durch die dargestellten Wärmerohre 4 verdeckt sind. Zwischen der Batteriezelle 3 und der thermischen Isolierung 2 ist Luft oder ein Vakuum 8, um eine möglichst geringe Wärmeleitfähigkeit zwischen der thermischen Isolierung 2 und der Batteriezelle 3 zu erreichen. Die Wärmerohre 4 umfassen jeweils ein Rohr 9, das aus drei Abschnitten besteht. Dabei bildet der untere Abschnitt einen Verdampferabschnitt 10 und der obere Abschnitt einen Kondensationsabschnitt 12 des Wärmerohrs 4. Der mittlere Abschnitt stellt einen thermischen Isolations-Abschnitt 11 dar. Die Wärmerohre 4 sind durch die thermische Isolierung 2 geführt, wobei der thermische Isolations-Abschnitt 11 im Bereich des Durchgangs durch die thermische Isolierung 2 liegt. Der Kondensationsabschnitt 12 liegt außerhalb der thermischen Isolierung 2, wobei an dessen Ende rippenförmige Elemente 13 zur Oberflächenvergrößerung angeordnet sind. Dabei weisen der Verdampferabschnitt 10 und der Kondensationsabschnitt 12 eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Beispielsweise sind diese beiden Abschnitte 10, 12 aus Kupfer. Der Isolations-Abschnitt 11 weist gegenüber den Abschnitten 10, 12 eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf und ist beispielsweise aus Kunststoff. In the 1 is schematically a battery module 1 shown in cross section, wherein the section has been laid such that a front wall of a thermal insulation 2 was cut away without one inside the thermal insulation 2 located battery cell 3 to cut. In addition to the already mentioned thermal insulation 2 and the battery cell 3 includes the battery module 1 several heat pipes 4 , where in 4 four heat pipes 4 are shown. Each is a heat pipe 4 on a left side wall 5 and a heat pipe 4 on the right side wall 6 the battery cell 3 arranged as well as two heat pipes 4 on a front wall 7 , The heat pipes 4 extend over the full height of the battery cell 3 , Preferably, around the entire peripheral surface of the battery cell 3 further heat pipes arranged, through the illustrated heat pipes 4 are covered. Between the battery cell 3 and thermal insulation 2 is air or a vacuum 8th To minimize the thermal conductivity between the thermal insulation 2 and the battery cell 3 to reach. The heat pipes 4 each include a tube 9 , which consists of three sections. In this case, the lower section forms an evaporator section 10 and the upper portion has a condensation portion 12 of the heat pipe 4 , The middle section represents a thermal isolation section 11 dar. The heat pipes 4 are due to the thermal insulation 2 guided, with the thermal insulation section 11 in the area of the passage through the thermal insulation 2 lies. The condensation section 12 is outside the thermal insulation 2 , wherein at the end rib-shaped elements 13 are arranged to increase the surface area. In this case, the evaporator section 10 and the condensation section 12 a high thermal conductivity. For example, these are two sections 10 . 12 made of copper. The isolation section 11 points opposite to the sections 10 . 12 a lower thermal conductivity and is for example made of plastic.

Die Wärmerohre 4 sind als kapillarische Wärmerohre 4 ausgebildet (siehe auch 2). Das Wärmerohr 4 weist dazu im Innern des geschlossenen Rohres 9 einen Kern mit großporigem Material 14 und einen Mantel mit kleinporigem Material 15 auf. In dem Wärmerohr 4 befindet sich ein Medium mit einer definierten Siedetemperatur Ts von beispielsweise 25°C. Das Medium ist beispielsweise Wasser, wobei die Siedetemperatur Ts durch einen entsprechenden Unterdruck im Wärmerohr 4 eingestellt wird. Die Temperatur der Batteriezelle 3 wird mit Ti und die Temperatur der Umgebung am Kondensationsabschnitt 12 wird mit Ta bezeichnet. The heat pipes 4 are as capillary heat pipes 4 trained (see also 2 ). The heat pipe 4 points to this inside the closed tube 9 a core with large-pored material 14 and a coat with small pore material 15 on. In the heat pipe 4 there is a medium with a defined boiling temperature Ts of, for example, 25 ° C. The medium is for example water, wherein the boiling temperature Ts by a corresponding negative pressure in the heat pipe 4 is set. The temperature of the battery cell 3 with Ti and the temperature of the environment at the condensation section 12 is denoted by Ta.

Nachfolgend soll nun die Funktionsweise des Batteriemoduls 1 näher erläutert werden, wobei hierzu vier Konstellationen betrachtet werden sollen, nämlich:

1) Ti, Ta < Ts
2) Ti > Ts > Ta
3) Ti, Ta > Ts
4) Ta > Ts > Ti

Below is now the operation of the battery module 1 be explained in more detail, wherein four constellations are to be considered, namely:

1) Ti, Ta <Ts
2) Ti>Ts> Ta
3) Ti, Ta> Ts
4) Ta>Ts> Ti

Zu 1) To 1)

Das Medium des Wärmerohrs 4 liegt vollständig verflüssigt vor und es findet kein Wärmetransport statt. The medium of the heat pipe 4 is completely liquefied and there is no heat transfer.

Zu 2) To 2)

Aufgrund der Wärme der Batteriezelle 3 verdampft das Medium im Wärmerohr 4 im Verdampfungsabschnitt 10. Der Dampf steigt im Kanal mit dem großporigen Material 14 auf und kondensiert am Kondensationsabschnitt 12. Dabei wird Wärme abgegeben, insbesondere über die Elemente 13. Das kondensierte Medium gelangt über den Kanal mit dem kleinporigen Material 15 wieder nach unten in den Verdampferabschnitt 10. Somit wird die Batteriezelle 3 gekühlt. Durch die Kühlung bleibt die Batteriezelle 3 länger in einem zulässigen Arbeitsbereich von beispielsweise 0°C bis 55°C. Due to the heat of the battery cell 3 the medium evaporates in the heat pipe 4 in the evaporation section 10 , The steam rises in the channel with the large-pored material 14 and condenses on the condensation section 12 , This heat is dissipated, especially on the elements 13 , The condensed medium passes over the channel with the small pore material 15 back down into the evaporator section 10 , Thus, the battery cell becomes 3 cooled. By cooling the battery cell remains 3 longer in a permissible working range of, for example, 0 ° C to 55 ° C.

Zu 3) To 3)

Das Medium im Wärmerohr 4 liegt vollständig als Dampf vor und es findet kein Wärmetransport statt. The medium in the heat pipe 4 is completely in the form of steam and there is no heat transfer.

Zu 4) To 4)

Das Medium liegt zunächst als Flüssigkeit vor. Durch die Kapillarwirkung gelangt die Flüssigkeit in dem Kanal mit dem kleinporigen Material 15 von dem Verdampferabschnitt 10 zum Kondensationsabschnitt 12. Da dort die Temperatur Ta größer als die Siedetemperatur Ts ist, verdampft das flüssige Medium und der Dampf gelangt über den Kanal mit dem großporigen Material 14 zu der Batteriezelle 3. Die Batteriezelle 3 wird erwärmt. The medium is initially present as a liquid. Due to the capillary action, the liquid in the channel reaches the small-pored material 15 from the evaporator section 10 to the condensation section 12 , Since there the temperature Ta is greater than the boiling temperature Ts, the liquid medium evaporates and the vapor passes through the channel with the large pore material 14 to the battery cell 3 , The battery cell 3 is heated.

Dies ist beispielsweise im Winter von Vorteil, wenn nach dem Start des Kraftfahrzeugs die Batteriezelle 3 noch sehr kalt ist, die Umgebung um den Kondensationsabschnitt 12 aber bereits (beispielsweise aufgrund der Motorabwärme) wärmer ist. Bei Verwendung eines Gravitations-Wärmerohres hingegen bleibt das verflüssigte Medium im Verdampferabschnitt 10 und es findet kein Wärmetransport statt. This is advantageous, for example, in winter when, after the start of the motor vehicle, the battery cell 3 is still very cold, the environment around the condensation section 12 but already warmer (for example due to engine waste heat). When using a gravitational heat pipe, however, the liquefied medium remains in the evaporator section 10 and there is no heat transport.

Dabei sei angemerkt, dass das Wärmerohr 4 im Fall von 4) umgekehrt arbeitet, also an dem Kondensationsabschnitt 12 verdampft und an dem Verdampferabschnitt 10 kondensiert wird. It should be noted that the heat pipe 4 in the case of 4) works in reverse, so on the condensing section 12 evaporated and at the evaporator section 10 is condensed.

In den Betriebssituationen, wo Ta > Ti ist, verhindert die thermische Isolierung 2 einen Wärmeeintrag von außen nach innen, sodass die Batteriezelle 3 nicht noch zusätzlich aufgeheizt wird. Durch den Isolations-Abschnitt 11 wird dabei eine Wärmebrücke am Durchgang der Wärmerohre 4 durch die thermische Isolierung 2 verhindert. In the operating situations where Ta> Ti, thermal insulation is prevented 2 a heat input from outside to inside, so that the battery cell 3 is not heated additionally. Through the isolation section 11 becomes a thermal bridge at the passage of the heat pipes 4 through the thermal insulation 2 prevented.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2013/056877 A1 [0003]
DE 19724020 A1 [0004]
EP 2370280 B1 [0005]

Claims

Battery module ( 1 ) comprising at least one battery cell ( 3 ) and at least one heat pipe ( 4 ) connected to the at least one battery cell ( 3 ) is in thermal contact with the heat pipe ( 4 ) an evaporator section ( 10 ) and a condensation section ( 12 ), characterized in that the battery cell ( 3 ) of a thermal insulation ( 2 ), whereby the heat pipe ( 4 ) by the thermal insulation ( 2 ), so that the evaporator section ( 10 ) within the thermal insulation ( 2 ) and the condensation section ( 12 ) outside the thermal insulation ( 2 ) is arranged.

Battery module according to claim 1, characterized in that the heat pipe ( 4 ) as a capillary heat pipe ( 4 ) is trained.

Battery module according to claim 1 or 2, characterized in that the tube ( 9 ) of the heat pipe ( 4 ) is composed of at least two sections, wherein one section has a lower thermal conductivity than the other section, wherein the section with the lower thermal conductivity in the region of the passage through the thermal insulation ( 2 ) is arranged.

Battery module according to claim 3, characterized in that the tube ( 9 ) of the heat pipe ( 4 ) from at least three sections ( 10 - 12 ), the middle isolation section ( 11 ) has a lower thermal conductivity than the other two sections ( 10 . 12 ), the isolation section ( 11 ) with the lower thermal conductivity in the region of the passage of the thermal insulation ( 2 ) is arranged.

Battery module according to one of the preceding claims, characterized in that on the evaporator section ( 10 ) and / or the condensation section ( 12 ) surface enlarging elements ( 13 ) are arranged.

Battery module according to one of the preceding claims, characterized in that the medium of the heat pipe ( 4 ) Water is.

Battery module according to one of the preceding claims, characterized in that the heat pipe ( 4 ) along a peripheral surface of the battery cell ( 3 ) is arranged.

Battery module according to one of the preceding claims, characterized in that the battery cell ( 3 ) is designed as a lead-acid battery.

Battery module according to one of the preceding claims, characterized in that the boiling temperature Ts of the medium is between 20 ° C to 30 ° C.

Battery module according to one of the preceding claims, characterized in that the battery module ( 1 ) is a starter, electrical system or traction battery of a motor vehicle.